交流电机强鲁棒性模型预测控制策略研究

With the globalization development of electric-cars and robots, as one of the core parts, electric machines face new challenges. Traditional control system uses external speed proportional integral (PI) controller and inner current PI controllers or inner direct torque controller. The problems are as follows: Firstly, cascaded PI controllers make the tuning work of parameters difficult. Secondly, inner current PI bandwidth constrains the dynamics of outer controller. Though direct torque control method uses hysteresis structure realizes fast dynamics, but with a cost of big torque ripples. Last but not least, outer speed PI controller solves the disturbances via integral controller which is a slow process. This project designs a new control structure for Induction Machines and PMSMs. Disturbance Observer techniques and Sliding Mode methods are researched for external speed control, and enhanced Model Predictive Systems are applied as inner controller. Cost functions without any weighting factors for Predictive Torque Control and Predictive Current Control systems are designed to simplify the calculations. Disturbance observer techniques and Sliding Mode methods are also injected into the prediction models, which improves the robustness of the system. With comprehensive study with vector control and direct torque control, the project investigates the applications of predictive control for AC machines in deep.

随着电动汽车及机器人的全球化发展，其核心部件电机系统面临新的挑战。传统电机调速结构主要为外环采用速度比例-积分（PI）控制器，内环采用电流PI控制器或直接转矩控制器等。问题体现在：（1）内外环级联式的PI控制结构带来参数调节困难。（2）外环速度调制受到内环电流PI的带宽影响，系统动态性能受到制约；内环采用滞环控制的直接转矩方式，动态性能好，但转矩脉振较大。（3）外环PI控制器主要依靠积分环节来处理负载扰动等问题，然而积分控制是一个较慢的过程。本项目针对感应电机和永磁同步电机两种机型，设计强鲁棒控制系统：外环研究扰动观测技术及滑模技术，内环研究改进模型预测系统。深入研究预测转矩控制及预测电流控制，设计无权重系数的成本函数，简化系统计算，并将扰动观测技术等引入预测模型，增强系统鲁棒性能。通过与经典策略（矢量控制、直接转矩控制）综合性（理论与实验）对比研究，深度论证预测控制交流电机科学应用。

国家《“十四五”规划》等指出：进一步大力发展新能源汽车、机器人等高端装备产业，是我国打造制造强国的重要支撑。随着高端装备快速发展，对其核心部件电机驱动系统的要求愈加严苛。然而，交流电机驱动系统在精度、可靠性等核心性能指标方面与国外品牌存在较大差距。其主要原因硬件系统方面趋于同质化，高性能控制策略是核心关键。. 项目围绕交流电机驱动系统（主流机型感应电机和永磁同步电机），创新研究强鲁棒性模型预测控制策略，重点探索强鲁棒预测模型、成本函数优化等核心技术，有效解决交流电机预测控制系统存在的抗扰动、动态特性、成本函数架构设计及权重系数计算等关键技术问题：. （1）高端应用电机驱动系统工作环境恶劣，高温、潮湿、粉尘、振动等加剧电机预测模型失配，严重影响运行精度、可靠性。针对如上核心问题，创新研究扰动观测器、滑模观测器、非线性状态观测器等多种鲁棒观测技术，并注入到内外环速度与电流预测模型中，实时估计扰动、补偿系统状态及自适应计算增益，提高模型精度与鲁棒性，实现转速、转矩、电流等精准预测。. （2）新能源汽车、机器人等对电机驱动系统精度、效率、可靠性要求极高，多目标预测控制是有效解决方案，但存在成本函数架构复杂、权重系数计算等难题。为解决如上难题，针对3个以下控制目标，创新设计级联式、平行式及三相电流均衡的成本函数，突破固有架构，消除权重系数，简化成本函数计算；针对3个及以上控制目标的复杂权重系数设计问题，采用神经网络、粒子群等智能寻优算法，构建迭代预测模型，计算全工况最优权重系数。. （3）强鲁棒性模型预测控制策略创新成果在0.75kW、2.2kW、3.8kW、11kW等多种功率等级感应电机及永磁同步电机系统中充分验证，实现参数失配抑制能力提升至3倍、失配工况动态恢复时间加快28.6%、电流超调量减少5.1%、转矩精度提高13.6%等关键性能指标突破，并成功应用于新能源汽车及高端纺织装备等场合，极大推动预测控制系统走向交流电机高端应用。